相変化光スイッチの相変化状態制御の理論解析と最適なデバイス構造・材料の探索

相变光开关相变状态控制理论分析及寻找最佳器件结构和材料

基本信息

批准号：
20K05373
负责人：
佐野陽之
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Ishikawa National College of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K05373/
关键词：
相変化光スイッチ物理シミュレーション第一原理計算

项目摘要

昨年度行ったシミュレーションから、GST層の過熱が不均一であるため、急冷中に再結晶化が顕著に発生し、光スイッチの消光比性能が劣化することが分かった。不均一加熱の原因を調べるため、GST加熱時の電流・電位分布を解析したところ、GSTの乗っていないITO（ヒーター層）領域の相対的な電気抵抗が大きくなり、その部分で発生するジュール熱が大きくなることが不均一加熱の原因であることが分かった。この結果をもとに、GST内の温度差を小さくするための検討を行い、「GST膜の乗っていないITO領域の膜厚を2倍にしたモデル構造」を提案した。このモデル構造のシミュレーションでは、GST内の温度差が約半分になり、冷却後の再結晶化が大きく減少する結果を得た。波長1550nm付近の光吸収が非常に小さく、高速に相変化（変態）するMnTeは、光スイッチ用の有望な相変化材料であり、その物性と相変化メカニズムを明らかにすることを目的にMnTeの第一原理計算を進めた。αとβの２つのMnTe結晶相を対象に、計算手法（近似）としてGGA-UとHSE06を用い、構造最適化、状態密度分布（DOS）、エネルギーバンド図、光学誘電率の計算を行った。GGA-U近似を用いた場合、バンドギャップが実験値より30％程度小さくなったが、HSE06近似を用いた場合、バンドギャップは実験値とほぼ同じ値になった。研究分担者は、様々な物性評価のためにMnTe薄膜の作成を行った。スパッタによって作成した直後のβ相試料は平滑で均一な膜となるが、α相形成のためにアニールすると、数１０nmサイズのすき間が分布する膜となった。2つの層の密度が大きく異なり、βからαに相変化すると体積が大きく減少するためと考えられる。β相薄膜のエリプソメータ測定から得た屈折率は、第一原理計算で求めた結果と特徴が良く合っていることが分かった。

通过去年的模拟，我们发现由于GST层加热不均匀，在快速冷却过程中会发生明显的再结晶，从而恶化了光开关的消光比性能。为了调查加热不均匀的原因，我们分析了GST加热过程中的电流和电位分布，发现未安装GST的ITO（加热器层）区域的相对电阻增加，并且在GST加热过程中产生的焦耳热结果发现，加热不均匀的原因是温度升高。基于该结果，我们进行了减少GST内温差的研究，并提出了一种模型结构，其中未被GST膜覆盖的ITO区域的膜厚度加倍。使用该模型结构进行的模拟表明，GST内的温差大约减半，冷却后的再结晶显着减少。 MnTe 在 1550 nm 波长附近具有非常低的光吸收，并经历快速的相变（转变），使其成为一种有前途的光开关相变材料。针对α和β两种MnTe晶相，我们使用GGA-U和HSE06作为计算方法（近似）来优化结构，计算态密度分布（DOS）、能带图和光学介电常数。当使用GGA-U近似时，带隙比实验值小约30%，但当使用HSE06近似时，带隙与实验值大致相同。共同研究人员创建了 MnTe 薄膜来评估各种物理特性。溅射生成的β相样品立即成为光滑且均匀的膜，但当退火形成α相时，该膜变成分布有数十纳米尺寸的间隙的膜。这被认为是因为两层的密度显着不同，并且当相从β变为α时体积显着减小。结果发现，椭圆偏振仪测量β相薄膜的折射率与第一性原理计算得到的结果吻合较好。